DE102018006457A1 - Wärmetauscherplatine synchron, sägezahnartig - pultdachförmig - Google Patents

Abstract

Wärmetauscherplatinemit Sägezahnprofil (1, 2), wobei dasProfil der benachbarten Platinen einen synchronen Profilverlauf darstellt, d. h. die Profile sehen exakt gleich aus und sind „Spitze-auf-Spitze-stehend“ (3, 6) angeordnet.In einer zweiten Profilvariante wird das spitze Dreieck (1) durch eine „Hausform mit Pultdach“ (11) ersetzt. Der Neigungswinkel β der vier Schrägen (a, b - obere Platine; c, d - untere Platine) ist jeweils gleich groß. Die Neigungsrichtung von einer jeden der vier Schrägen ist für eine Profilvariante festgelegt, kann aber für eine andere Profilvariante beliebig anders zusammengestellt sein.Die profilierten Platinen können durch verschiedene Aufsitzformen (7, 8, 9, 10, 17, 19) sicher übereinander stehenDie Profile können auch einen (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Verlauf nehmen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherplatine gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs.Aus der Patentschrift DE19635552 ist ein Wärmetauscher mit zickzackartig ausgebildeten Wärmetauschkanälen bekannt (20a). Hier ist keine Lösung der Spitze-auf-Spitze stehenden Profile aufgezeigt. Dieses Problem tritt insbesondere bei (durch das Tiefziehen) sehr dünnem Kunststoff-Material auf.
• Beim Gebrauchsmuster DE29620248 ist dieses Problem dadurch gelöst, dass „eine Zacke in doppelter Höhe und Breite zu den übrigen ausgebildet ist, auf welcher sich dann eine Zacke der nächsten Platte abstützt“ (20b). Die drei Probleme, die diese Lösung mit sich bringt, sind der Verlust an Wärmetauschfläche
1. a) im Bereich des doppelt großen Zackens und
2. b) dadurch, dass beim Aufsitz doppelt Material übereinander liegt sowie
3. c) sich in diesem Bereich beidseitig das gleiche Medium (z. B. A - A, siehe 20b) befindet
• Das erfindungsgemäße Profil ist vergleichbar mit einer Sägezahn-Struktur, wobei das Profil der benachbarten Platinen (1, 2) einen synchronen Profilverlauf darstellt (1), d. h. die Profilstruktur sieht exakt gleich aus (mit Ausnahme der Aufsitzformen).
• Bei großen Profilhöhen (h) und gleichzeitig kleiner Profilbreite (s) wird beim Sägezahn-Profil (1, 2) der Winkel α allerdings recht klein. Dies führt im Bereich des spitzen Winkels zu einem sehr engen Strömungsquerschnitt (E) (2b). Durch die höhere Gleitreibung an der Wandung bezogen auf den engen Strömungsquerschnitt sinkt in diesem engen Querschnittsbereich die Strömungsgeschwindigkeit und somit die Wärmeübertragungszahl; der Druckverlust steigt.
• Zur Lösung dieses Problems wird ineiner zweitenneuartigen Profilvariante das (spitze) Dreieck (1) durch eine „Hausform mit Pultdach“ (11)(4a) ersetzt: Hier wird (der ehemals dreieckige Bereich (1 oder 4 und 4a: gestrichelte Linie 1a)) durch parallele Flanken (rechte und linke „Hauswand“) (4a: Linie 1b) oder durch leicht konische Flanken (4: Linie 1b) der Wärmetausch-Bereich in zwei parallele, schmale Zonen (4, 4a, 4b) aufgeteilt, die beidseitig jeweils einen guten Wärmefluss ermöglichen (kurzer Wärmestrom-Weg). Außerdem entfällt der spitze Winkel - er wird durch eine „Hausdach-Form“ ersetzt. Hierdurch wird es möglich, dass die Winkel (α = 45°) deutlich bessere Strömungsverhältnisse zulassen. Außerdem kann durch diese „Haus-Form“ die Wärmetauschfläche gegenüber der Dreieck-Form (dem Sägezahn-Profil (1)) gesteigert werden. Für beide neuartigen Profilvarianten (1, 4, 4b) gilt, dass die Summe beider Strömungs-Querschnittsflächen (A = B) identisch ist.
• Für beide neuartigen Profile gilt auch, dass die obere Platine (1 bzw. 11) nach unten und die untere Platine (2 bzw. 12) auch nach unten offen sind (im dargestellten Segment-Bereich - 2a und 5). Dadurch schließen beide „Halbschalen“ einen Strömungsquerschnitt ein (z. B. bei A oder B - siehe 1, 4, und 4b).
• Die zweite neuartige Profilform (Pultdach-Profil) lässt sich durch verschiedene Variable in ganz unterschiedliche Variationen darstellen:
1. 1. Variable: Neigungswinkel β Der Winkel β beschreibt beim Pultdach-Profil die Neigung der Schräge (a), d. h. die Abweichung von der Waagerechten (5, 6). Der Neigungswinkel β sollte bei allen vier Schrägen (a, b, c, d) gleich groß sein (5) und es muss β > 0,1 % sein. Aus der Vergrößerung von β folgt:
   1. a) die Tiefzieh-Höhe (= Profilhöhe) h kann größer werden,
   2. b) die Wärmetauschfläche wird kleiner.
2. 2. Variable: Strecke f Die Streckenlänge (f) entspricht der Strecke (e), auf die Waagerechte projiziert. Die Strecke (f) kann bis auf maximal die halbe Profilbreite (s/2) vergrößert werden - dann entspricht f der Spaltbreite (s1) - die Flanken des Pultdach-Profils verlaufen dann senkrecht (Linie 1b in 4a) und zueinander parallel (4b, 7, 9 - 12). Die aus der Variation der ersten beiden Variablen β und f resultierenden möglichen Profilkanten sind auf 6 ersichtlich: es sind in den Feldern A bis F sechs Möglichkeiten dargestellt, die sich mit den vielen Möglichkeiten kombinieren lassen, welche sich aus der 3. Variablen ergeben:
3. 3. Variable: Neigungsrichtung Die vier Schrägen (a, b, c, d) kann man in ihrer Neigungsrichtung beliebig festlegen:
   • - von links nach rechts: steigend oder
   • - von links nach rechts: fallend
   Die sich ergebenden Neigungsvarianten sind in 7 dargestellt:
   • - in den Feldern 1 bis 4: vier Möglichkeiten für die ober Platine (11)
   • - in den Feldern 5 bis 8: vier Möglichkeiten für die untere Platine (12)
• Die 16 Kombinations-Möglichkeiten (jedes Feld aus Feld 1 bis 4 kombiniert mit jedem Feld 5 bis 8) sind auf 8 ersichtlich In den 9 bis 12 sind die 16 verschiedenen ProfilVarianten dargestellt, wobei die genauere Betrachtung ergibt, dass sich alle Profile auf 8 Primär-Variationen (8, 9, 10) zurückführen lassen.
• Um den Aufsitz der aufeinanderstehenden Spitzen (beim Sägezahn- und Pultdach-Profil) sicherer zu gestalten, kann eine der zwei aufeinander stehenden Spitzen in eine flache Ebene (7) oder eine Wölbung (8) oder eine „Negativ-Spitze“ (9) oder eine schräge Ebene (10) gewandelt werden (3a bis 3d). Beim Pultdach-Profil kann neben den genannten Aufsitzvarianten ein Aufsitz derart gestaltet werden, indem die Schräge (b) in eine Gerade (17) und dieSpitze (6a) der Schräge (c) in eine Gerade (19) umgewandelt werden (14a bis c) oder die spitze Kante (6a) in eine ebene Fläche (19) verwandelt wird (13).
• Die o. g Aufsitz-Varianten können sich in einem Abstand C (z. B. nach 4 Perioden (P)) wiederholen (3a). Die oben erwähnten Varianten für einen sicheren Aufsitz (7, 8, 9, 10, 19) müssen sich nicht über die gesamte Länge des Profils erstrecken, sondern können sich auf einen gewissen Streckenabschnitt (I) begrenzen (Beispiel in 14b). Durch den Aufsitz (19) (mit der Verbreiterung der Pultdach-Spitze) ist eine „Ausbauchung“ (k) in den offenen Strömungsquerschnitt hinein verbunden. Um dort eine Querschnitts-Verengung zu vermeiden wird in gleicher Höhe bei der benachbarten Wandung eine „Einbuchtung“ (k1) vorgesehen (14c); im Abstand x (in Strömungsrichtung gesehen) kann sich diese Aufsitz-Vorrichtung (wie auch jede andere vorgenannte Aufsitzform) wiederholen. Eine derartige Ausgestaltung der Aufsitz-Form hat außerdem den Vorteil der Turbulenz-Erzeugung und Wärmetauschflächen-Vergrößerung.
• Durch die Abrundung oder Abflachung der Ecken kann ein besserer Tiefzieh-Erfolg erreicht werden, d. h. Ausdünnen und Löcher im Tiefziehmaterial können weitgehend vermieden werden.
• Durch einen (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen (20) oder sinuskurvenähnlichen Verlauf der Profilstruktur (15a, 15b, 16) lässt sich die Länge des Strömungsfadens und damit die Verweildauer und Wärmetauschdauer erhöhen, was zur Verbesserung der Wärmetauschleistung führt. Die Wärmetauschfläche vergrößert sich durch die Zickzackstruktur um ca. 6 %, wobei bereits die Flächenverluste im Randbereich (R) ( 15b) einkalkuliert sind.
• Bei einem (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Profilverlauf (20) wird die Wärmeübergangszahlα durch Turbulenzen erhöht (15a bis 16). Dabei können die übereinanderliegenden Profile synchron (11, 12) (15a) oder kreuzweise (16) verlaufen. Beim kreuzweisen Verlauf stützen sich die Profile an Auflagepunkten ab.Bei einer weiteren Variante verlaufen die Profile jeweils zweier benachbarter Platinen synchron - das benachbarte Profilpaar hat dann aber einen kreuzweisen Verlauf der Zickzackstruktur zum ersten Paar. Durch den in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen Profilverlauf wird insbesondere bei großen Profilhöhen auch der in größerer Profiltiefe befindliche Strömungsbereich E (2b, 4) verwirbelt, bewirkt durch die häufige Umlenkung an den Ecken (20) (15a bis 16).
• Dies bedeutet einen Vorteil gegenüber Profilstrukturen, deren Verlauf (in einem bestimmten Winkel geneigt) quer über die Platine (von rechts nach links - und umgedreht) verlaufen (Stand der Technik - siehe DE29916493 , DE29824920 ). Hier erfolgt an den Kreuzungspunkten zwar eine Vermischung (ein Teil der Strömung „drillt“ in den Strömungskanal der nächsten Etage), aber nicht bis in die Profiltiefe (Bereich E - Totgebiet - 2b und 4) hinein. Dies erfolgt lediglich in der Randzone beim Umlenken der Strömung in den benachbarten Strömungskanal.
• Der Vorteil der Verwirbelung kann auch durch V-förmige Ausbuchtungen (21) erreicht werden (18, 19). Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei auf bogenförmig ausgeführt sein (U-Form).
• Bezugszeichenliste

1

Wärmetauscherplatine mit Sägezahn-Profil, obere Platine

1a

Schräge im Sägezahn-Profil (Hypotenuse des Dreiecks)

1b

Verbindung zwischen den beiden Schrägen a und b beim Pultdach-Profil

2

Wärmetauscherplatine mit Sägezahn-Profil, untere Platine

3

untere Spitze des Sägezahn-Profils, obere Platine

3a

untere Spitze des Pultdach-Profils, obere Platine

4

obere Spitze des Sägezahn-Profils, obere Platine

4a

obere Spitze des Pultdach-Profils, obere Platine

5

untere Spitze des Sägezahn-Profils, untere Platine

5a

untere Spitze des Pultdach-Profils, untere Platine

6

obere Spitze des Sägezahn-Profils, untere Platine

6a

obere Spitze des Pultdach-Profils, untere Platine

7

flacher ebener Aufsitz

8

gewölbter Aufsitz

9

„Negativ-Spitze“ als Aufsitz

10

schräge Ebene als Aufsitz - durch die gegenläufige Neigung (nach Abstand C) wird das rechts-/links-Verschieben verhindert

11

Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil, obere Platine

12

Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil, untere Platine

13

Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑥ (7, 8, 9), obere Platine

14

Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑥ (7, 8, 9), untere Platine

17

flacher ebener Aufsitz beim Pultdach-Profil

19

ebener Aufsitz beim Pultdach-Profil über die Strecke I

20

zickzackförmiger Verlauf der Profilstruktur

21

V-förmige Ausbuchtung

21a

V-förmige Ausbuchtung bei zickzackförmigem Profilverlauf (20) 15,16,18 entfällt

A

Medium A

B

Medium B

C

seitlicher Abstand innerhalb einer Platinen-Breite, nach der sich derAufsitz wiederholt

P

eine Periode

a

obere Schräge beim Pultdach-Profil - obere Platine

b

untere Schräge beim Pultdach-Profil - obere Platine

c

obere Schräge beim Pultdach-Profil - untere Platine

d

untere Schräge beim Pultdach-Profil - untere Platine

e

Länge der Schräge beim Pultdach-Profil

f

Strecke der Länge (e), auf die Waagerechte projiziert

h

Profilhöhe

k

Breite der „Ausbauchung“ für Aufsitz (19) in den offenen Strömungsquerschnitt hinein

k1

Breite der „Einbuchtung“ in Höhe der benachbarten „Ausbauchung“ (k)

I

Strecke des Aufsitzes (in Strömungsrichtung gesehen)

s

Profilbreite

s1

Spaltbreite

x

Abstand zwischen den Aufsitzformen (in Strömungsrichtung gesehen)

α

eingeschlossener Winkel des Dreiecks beim Sägezahn-Profil bzw. der spitze Winkel beim Pultdach-Profil

β

Neigungswinkel der Strecke (1a) (beim Dreieck des Sägezahn-Profils) bzw. der Schräge (a) am Pultdach-Profil

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 19635552 [0001]
• DE 29620248 [0002]
• DE 29916493 [0014]
• DE 29824920 [0014]

Claims (7)

1. Wärmetauscher aus übereinander angeordneten profilierten Wärmetauscherplatinen, wobei die übereinander angeordneten Platinen durch ihren mäanderförmigen Verlauf parallele Strömungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil einer Sägezahn-Struktur vergleichbar ist, wobei das Profil der benachbarten Platinen (1, 2) einen synchronen Profilverlauf darstellt, d. h. die Profilstruktur sieht exakt gleich aus und die Profile sind „Spitze-auf-Spitze-stehend“ (3, 6) angeordnet.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schräge (1a) des Dreiecks (also die Hypotenuse) in eine abgeknickte Linie (1b) verwandelt wird, so dass an Stelle der Dreiecke (des Sägezahn-Profils) eine Profilform tritt, die ähnlich einer Hausform mit Pultdach (11, 12) gestaltet ist, mit der Spitze nach oben (4a) und unten (5a) zeigend, also die Spitzen beider übereinanderstehenden Profile sich berühren. Das Profil der benachbarten Platinen stellt ein synchrones Abbild dar.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägen (a, b - obere Platine, c, d - untere Platine) des Pultdach-Profils einen vorteilhafterweise gleich großen Neigungswinkel βhaben (β min. 0,1°) und die Länge (e) der vier o. g. Schrägen jeweils gleich lang ist und jeweils so bemessen ist, dass die auf die Waagerechte projizierte Strecke (f) maximal der Hälfte der Profilbreite (also s/2) entspricht. Die Neigungsrichtung (also von links nach rechts steigend oder fallend) von einer jeden der vier Schrägen (a, b, c, d) ist für eine Profilvariante festgelegt, kann aber für eine andere Profilvariante beliebig anders zusammengestellt sein.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Spitzen, die zueinander einen bestimmten Abstand (C) haben, z. B. nach 4 Perioden (P), einen glatten (7) oder gewölbten (8) oder spitzen („Negativ-Spitze“) (9) oder schrägen (10) Aufsitz haben oder beim Pultdach-Profil gemäß Anspruch 2 und 3 ein Aufsitz derart gestaltet wird, indem die Spitze (6a) der Schräge (b) in eine Gerade (17) und die Schräge (c) in eine Gerade (19) umgewandelt wird oder die spitze Kante (6a) in eine kleine ebene Fläche (19) verwandelt wird. Die beschriebenen Aufsitzvarianten können sich auf einen gewissen Streckenabschnitt (I) begrenzen. Mit der Aufsitzvariante (19) ist eine „Ausbauchung“ (k) verbunden, durch die eine „Einbuchtung“ (k1) in der benachbarten Profilwandung erforderlich wird.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken der Profile alternativ abgerundet oder abgeflacht (5a) sind zur Verbesserung der Tiefziehfähigkeit.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen einen zickzackförmigen (20) oder sinuskurvenähnlichen Verlauf nimmt, wobei die Profilstruktur bei allen übereinanderliegenden Platinen synchron verlaufen kann oder sich die Profilstrukturen von Platine zu Platine kreuzen, oder die Profilstruktur zweier benachbarter Platinen verläuft jeweils synchron - das benachbarte Profilpaar hat dann aber einen kreuzweisen Verlauf der Zickzackstruktur zum ersten Paar.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen einen V-förmig ausgebauchten Verlauf nimmt, sowohl bei (ansonsten) geradem Profilverlauf (21) als auch bei Zickzack-Profil (21a). Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei an den Kanten auch abgerundet sein (U-Form).

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